Progettazione e analisi di un convertitore dc-dc isolato

PROGETTAZIONE E ANALISI DI

UN CONVERTITORE DC-DC ISOLATO

elaborato per esame di PROGETTAZIONE AUTOMATICA DI CIRCUITI

ELETTRONICI

Indice

1 Introduzione 2

1.1 Convertitori elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Analisi Componenti E Specifiche Di Progetto 8

2.1 MOSFET di potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Gate Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Specifiche di progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Convertitori DC/DC 12

3.1 Convertitori lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2 Buck converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

18

3.3 Flyback converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4 Forward converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Simulazioni 27

4.1 Buck converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3 Flyback converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.4 Forward converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

36

5 Conclusioni

Riferimenti bibliografici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

questo lavoro abbiamo trattato i convertitori Dc/Dc nello specifico

InIn

un Forward Converter con ingresso 12 Volt 5 ampere e in uscita 5 volt 12

ampere.

Il lavoro svolto ha portato ad un convertitore con efficienza dell'86%

abbastanza realistico come risultato

1.1 Convertitori elettrici

Corrente continua e corrente alternata

Le linee elettriche odierne del mondo, sia civili che industriali, utilizzano lacorrente al-

ternata (AC) per trasportare l’energia elettrica, perché rispetto alla corrente continua

(DC) richiede cavi conduttori più sottili, quindi a minor costo, e permette di avere meno

perdite dal punto di vista dell’efficienza. La DC, come suggerisce il nome, è una corrente

continua, ovvero se si potesse vedere l’andamento temporale del segnale da essa prodotto,

sarebbe una retta con pendenza zero, parallela all’asse dei tempi. L’AC, invece, prende

il nome dal fatto che è una corrente che varia nel tempo, più precisamente, segue una

forma d’onda sinusoidale con una frequenza e un’ampiezza che dipendono dagli standard

elettrici che ogni paese sceglie. Per esempio in Italia la frequenza è 50 Hz e l’ampiezza

è circa 325 V , ovvero 230 V RMS. Il Root Mean Square (RMS), anche chiamato

valore efficace, è il valore che avrebbe un segnale continuo di pari potenza media.

3

Conversione dell’energia elettrica

La quasi totalità dei circuiti elettrici di utilizzo quotidiano usano tensioni piccole e con-

tinue. Inoltre, come accennato precedentemente, il trasporto dell’energia avviene in AC.

Occorre quindi un circuito che permetta di passare da una forma all’altra di energia dissi-

pandone il meno possibile. Esistono quattro macrotipologie di circuiti di questo tipo che

prendono il nome di: AC/AC, AC/DC, DC/AC, DC/DC.

Esistono parecchie tipologie e configurazioni dei suddetti circuiti aventi altrettante carat-

teristiche e specifiche. P er q uanto c oncerne q uesto p rogetto s i c onsidererà e s i valuterà

nel dettaglio la tipologia DC/DC, quindi conversione di una corrente continua ad un’altra

corrente continua più o meno bassa. Il convertitore preso in esame sarà di tipo switching,

ovvero un convertitore che grazie all’utilizzo dei MOSFET permette un’alta efficienza.

Inoltre sarà isolated, cioè un circuito galvanicamente isolato che, in caso di rottura o

malfunzionamento, permette di evitare danni ad attrezzature e proteggere le persone dal

rischio di elettrocuzione. 4

1.2 MOSFET

Per far funzionare un convertitore switching, occorre un componente capace di far com-

mutare la tensione di alimentazione attraverso l’apertura e la chiusura del circuito. Tale

componente è l’interruttore, un circuito bistabile, cioè con due stati comunemente chia-

mati ON e OFF, che consente il passaggio o il blocco di corrente attraverso esso. Questa

funzione può essere espletata da un dispositivo elettronico, senza parti meccaniche e mi-

niaturizzato, che si chiama transistor. La tipologia di transistor che è stata utilizzata per

questo progetto è il MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

Principio di funzionamento

I due principali tipi di MOSFET sono l’n-MOS e il p-MOS che prendono il nome dalla

differente t ipologia d i d rogaggio d el s emiconduttore c on i l q uale s ono r e alizzati. I n figura

1.2 ne vengono riportati i simboli circuitali.

Prendiamo in esame il caso dell’n-MOS. Il suo principio di funzionamento è il seguente:

quando la tensione tra gate e source, definita V , s upera u na c erta s o glia, c hiamata V ,

g s th

data dal costruttore, il transistor chiude il percorso elettrico tra drain e source lasciando

la corrente libera di scorrere. L’n-MOS rimane in questo stato fino a q u ando l a V non

g s

ritorna a valori sotto soglia, aprendo il percorso e bloccando conseguentemente la corrente.

Per quanto concerne il p-MOS, il funzionamento è duale. Se si considerano le tensioni

5

V e V prese in valore assoluto, allora si può affermare che il p-MOS segue esattamente

gs th

lo stesso funzionamento dell’n-MOS. Questo è dovuto al fatto che nella realtà la tensione

V è negativa e per tensioni V “più negative” di quest’ultima il p-MOS risulta acceso.

th gs

Capacità parassite

A livello ideale, per comandare il MOSFET, viene applicata una tensione ai capi dei ter-

minali di gate e source e ciò non produce alcun assorbimento di corrente da parte di queste

porte, in realtà questa è un’approssimazione. A livello operativo il MOSFET possiede 3

capacità definite capacità parassite C , C e C come mostrato in figura 1.3.

gs gd ds

Avendo queste capacità, quando applichiamo una tensione sul terminale del gate in realtà

andiamo a caricare i condensatori presenti su di esso (C e C ); ciò implica un compor-

gs gd

tamento transitorio. Il MOSFET quindi, avrà un ritardo nel rispondere alla variazione

di tensione e la porta in questione assorbirà un certo quantitativo di corrente necessaria

per caricare il condensatore. Il ragionamento è lo stesso durante lo spegnimento, cioè la

scarica delle due capacità.

Il momento nel quale il MOSFET dissipa la maggior parte della potenza è durante la

transizione dallo stato di accensione a quello di spegnimento e viceversa. Questo periodo

è determinato dai transitori creatisi dalle capacità parassite, che sottopongono il MO-

SFET ad elevate tensioni e correnti tra drain e source, V e I . Ovviamente si desidera

ds ds

avere queste capacità il più piccole possibili, sia per aumentare la velocità di risposta del

MOSFET, sia per limitarne le perdite di potenza.

6

Figura 1.2: Simboli circuitali del MOSFET

Figura 1.3: Capacità parassite nel MOSFET

7

Capitolo 2

Analisi Componenti E Specifiche Di

Progetto

In questo capitolo si andranno ad illustrare lo schema e il principio di funzionamento del

.

progetto nelle sue varie fasi e dimensionare il convertitore DC/DC

8

2.1 MOSFET di potenza

I MOSFET di potenza utilizzati per questo progetto sono gli STH200N10WF7-2

dell’azienda STMicroelettronics, in tabella 2.1 sono presentate le sue caratteristiche

principali.

Presupposto che non ci si occuperà della parte del circuito di potenza, si consideri in

primo luogo il MOSFET di high side, ragionamenti analoghi valgono per il low side. Per